干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

張凱　侍克斌　嚴(yán)新軍　李存立

摘要：西北干旱地區(qū)可利用水資源嚴(yán)重缺乏是制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因。干旱區(qū)平原水庫水量蒸發(fā)損失十分嚴(yán)重，防蒸發(fā)技術(shù)是一種應(yīng)用在平原水庫上的高效節(jié)水技術(shù)。在介紹國內(nèi)外防蒸發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了今后防蒸發(fā)技術(shù)的研究發(fā)展方向：①防蒸發(fā)裝置最佳的設(shè)計(jì)方案；②準(zhǔn)確計(jì)算水面蒸發(fā)量的方法；③防蒸發(fā)技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)；④防蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等相關(guān)準(zhǔn)則的制定。

關(guān)鍵詞：防蒸發(fā)技術(shù)；研究現(xiàn)狀；展望；平原水庫；干旱區(qū)

我國干旱區(qū)主要分布在西北地區(qū)，約占國土面積的1/4。干旱區(qū)的水資源總量僅占全國水資源總量的5.84%，可利用的水資源量更少，水資源缺乏是制約西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。為了解決水資源不足的問題，西北干旱區(qū)主要采取輸送節(jié)水和田問節(jié)水兩種方式。輸送節(jié)水包括不同形式的防滲明渠、暗渠和管道節(jié)水技術(shù)；田間節(jié)水包括噴灌、滴灌、膜下灌和化學(xué)生物節(jié)水技術(shù)。雖然這兩種方式大大減少了輸水和用水過程中的水量損失，但是在水源源頭上因蒸發(fā)產(chǎn)生的巨大水量損失問題并沒有解決。以新疆為例，目前已建成547座平原水庫，總庫容為59.3億m3，但是每年可以正常使用的水量只有25.2億m3，只占總庫容的42.5%；而蒸發(fā)水量約為26.1億m3，占總庫容的比例高達(dá)44.0%。在當(dāng)前西北地區(qū)年平均氣溫隨全球變暖呈上升的趨勢下和西北地區(qū)連接絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的時(shí)代背景下，干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)技術(shù)的研究顯得尤為重要。目前我國對防蒸發(fā)技術(shù)的研究剛剛起步，在實(shí)際工程中尚未大規(guī)模使用防蒸發(fā)技術(shù)，而該技術(shù)在國外已有不少成功實(shí)踐的案例，如2015年美國加利福尼亞州西爾瑪水庫運(yùn)用浮球防止水量蒸發(fā)（見圖1）。本文在介紹防蒸發(fā)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出防蒸發(fā)技術(shù)未來的研究方向。

1防蒸發(fā)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1蒸發(fā)量模型

目前國內(nèi)外用來估算蒸發(fā)量的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、熱量平衡法、氣候模型計(jì)算法、水量平衡法、流體力學(xué)計(jì)算法等。英國物理學(xué)家道爾頓提出了著名的道爾頓模型，拉開了探索水面蒸發(fā)量計(jì)算方法的序幕，該模型是在對器皿蒸發(fā)研究的基礎(chǔ)上建立的，使用范圍僅局限于擁有長期觀測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的地區(qū)。波文在能量平衡方程研究基礎(chǔ)上建立了水面蒸發(fā)能量平衡模型，該模型在一般條件下計(jì)算精度較高，但是在天氣干燥、早晚時(shí)刻、下墊面潮濕或平流逆溫條件下計(jì)算精度較低。桑恩韋特借助近地面邊界層相似理論，提出用于水面蒸發(fā)量計(jì)算的空氣動(dòng)力學(xué)模型，該模型假設(shè)邊界層內(nèi)的水汽傳輸系數(shù)、熱量、動(dòng)量相等，當(dāng)下墊面均勻時(shí)計(jì)算水面蒸發(fā)量較為準(zhǔn)確，當(dāng)下墊面粗糙時(shí)計(jì)算水面蒸發(fā)量有較大誤差。彭曼將熱量平衡與質(zhì)量轉(zhuǎn)移理論結(jié)合，得出計(jì)算蒸發(fā)量的組合公式，得到聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的認(rèn)定，但是該模型依據(jù)海洋性氣候條件對空氣干燥力和水面輻射平衡值進(jìn)行取值和計(jì)算，不同地區(qū)需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修訂。Bouchet首次提出區(qū)域?qū)嶋H蒸發(fā)量與蒸發(fā)能力呈互補(bǔ)關(guān)系的假設(shè)，為區(qū)域蒸發(fā)量的計(jì)算開辟了新的路徑。濮培民利用質(zhì)量守恒原理建立了水面蒸發(fā)公式。該公式在風(fēng)速小于5 m/s時(shí)計(jì)算陸地蒸發(fā)池和漂浮水面蒸發(fā)量精度較好，但當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)計(jì)算蒸發(fā)量會出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，而且公式過于復(fù)雜，尤其是需要?dú)鈮嘿Y料。施成熙等根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)可控的回流式低速風(fēng)洞系統(tǒng)中獲取的水面蒸發(fā)試驗(yàn)資料，建立了包括風(fēng)速、水氣溫度差等參數(shù)在內(nèi)的水面蒸發(fā)計(jì)算公式，該公式能全面反映強(qiáng)迫對流和自由對流共同作用對水面蒸發(fā)的影響，因而得到了廣泛應(yīng)用，但是該公式?jīng)]有對不同風(fēng)速段強(qiáng)迫對流對于水面蒸發(fā)作用差異性而采取不同的系數(shù)，從而導(dǎo)致較大風(fēng)速情況下計(jì)算的水面蒸發(fā)量結(jié)果偏大。

1.2化學(xué)防蒸發(fā)技術(shù)

W.W.Mansfield通過在小水池用16碳醇進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)化學(xué)分子膜在一定程度上有防止水面蒸發(fā)的作用。在此基礎(chǔ)上，吳邦信等對化學(xué)單分子膜覆蓋水面防蒸發(fā)技術(shù)的環(huán)境影響進(jìn)行了研究，提出了綠色化學(xué)單分子膜應(yīng)用的必要性。馬艷等采用漂浮網(wǎng)格的方法有效消減了風(fēng)浪對高鏈脂肪醇分子薄膜的破壞，一定程度上提高了該分子薄膜的蒸發(fā)抑制率。化學(xué)防蒸發(fā)技術(shù)雖然在一定程度上減少了水量蒸發(fā)，但是所使用的化學(xué)物質(zhì)具有緩慢揮發(fā)性，防蒸發(fā)效果不穩(wěn)定。另外，化學(xué)防蒸發(fā)技術(shù)會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。首先，化學(xué)物質(zhì)完全阻斷水面空氣，影響水汽輸送，不利于水中生物生存；其次，當(dāng)水面干涸之后，殘留的化學(xué)物質(zhì)滲透到地下，會對地下水造成污染。

1.3生物防蒸發(fā)技術(shù)

王積強(qiáng)等利用水庫做了蒲草和水蓼蒸發(fā)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水庫蒸發(fā)只與水面溫度有關(guān)，而和水下溫度無關(guān)，并且通過計(jì)算得出了各個(gè)時(shí)間段的蒸發(fā)量。楊方清等利用油麻藤等藤本植物在蓄水池里作了蓄水保水試驗(yàn)，防蒸發(fā)效果明顯，該方法在羅江縣得到了推廣應(yīng)用。丁成在甘肅隴南水文站進(jìn)行了水生植物對水面蒸發(fā)抑制效率研究，發(fā)現(xiàn)水生植物在生長旺季將會增加水面的蒸發(fā)量。生物防蒸發(fā)技術(shù)的效果不太穩(wěn)定，所使用的水生植物少了起不到防蒸發(fā)效果、多了不利于水中的生態(tài)平衡，而且水生植物的生長受環(huán)境因素影響較大，尤其是西北干旱區(qū)冬季氣候寒冷，水生植物無法在冬季存活。

1.4物理防蒸發(fā)技術(shù)

嚴(yán)新軍等提出用苯板覆蓋部分水面以減少水體蒸發(fā)量的設(shè)想，并在塔里木二庫做了現(xiàn)場試驗(yàn)（見圖2），防蒸發(fā)效果顯著。武金慧通過對聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯軟片和石蠟抑制水面蒸發(fā)效果進(jìn)行對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯泡沫塑料板抑制水面蒸發(fā)的效果最好，石蠟抑制水面蒸發(fā)的效果最差，聚乙烯軟片的效果介于兩者之間。S.Assouline等在小型池塘的底部覆蓋防滲布料，水面上鋪設(shè)了一層飛碟形塑料浮板，精確地測出了水面的蒸發(fā)量。張永山、宋興亮等對防蒸發(fā)浮板材料進(jìn)行研究，探索了不同材料浮板的力學(xué)性能和防蒸發(fā)效果。張曉浩等利用防蒸發(fā)浮板進(jìn)行試驗(yàn)，建立了氣溫和水面蒸發(fā)量的回歸方程，得出了浮板在不同溫度、風(fēng)速條件下的防蒸發(fā)系數(shù)。物理防蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用效果顯著，能重復(fù)回收使用，降低工程成本，既不受地區(qū)環(huán)境因素的制約，又不對生態(tài)環(huán)境造成污染，符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念，是未來防蒸發(fā)技術(shù)主要研究和發(fā)展方向。

2防蒸發(fā)技術(shù)展望

（1）物理防蒸發(fā)裝置最佳設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案包括防蒸發(fā)裝置的外形、結(jié)構(gòu)和材料。防蒸發(fā)裝置外形設(shè)計(jì)原則有兩點(diǎn)：較好的防蒸發(fā)效果和良好的穩(wěn)定性。防蒸發(fā)裝置外形設(shè)計(jì)內(nèi)容包括形狀和大小。目前常見的防蒸發(fā)裝置有矩形浮板和浮球，浮板和浮球各有特點(diǎn)，浮板覆蓋水面的面積比浮球大，但是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有浮球好，在大風(fēng)大浪環(huán)境中容易折斷。目前沒有證據(jù)表明浮板和浮球哪個(gè)防蒸發(fā)效果更好。防蒸發(fā)裝置外形的設(shè)計(jì)不應(yīng)僅僅局限在矩形浮板和浮球，還需要通過大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬對不同外形的防蒸發(fā)裝置的效果和穩(wěn)定性進(jìn)行對比研究，尋找出最佳外形設(shè)計(jì)方案。

防蒸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，要計(jì)算出防蒸發(fā)裝置在大風(fēng)大浪等極端天氣下所受的最大應(yīng)力，以此為依據(jù)對防蒸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化和優(yōu)化。針對防蒸發(fā)矩形浮板在大風(fēng)大浪的環(huán)境中容易折斷的問題，侍克斌等利用波浪模型、彈塑性力學(xué)等建立了浮板的計(jì)算模型，對浮板在一定環(huán)境下所受應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，為浮板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。防蒸發(fā)浮球雖然結(jié)構(gòu)不容易破壞，但是在水面上遇風(fēng)浪時(shí)會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，增加了浮球的濕潤面積，降低了浮球的防蒸發(fā)效果。如果利用“不倒翁”原理優(yōu)化浮球結(jié)構(gòu)，遇到風(fēng)浪時(shí)就既不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，又不會增加太多濕潤面積，可以較好地提高浮球的防蒸發(fā)效果。

防蒸發(fā)裝置材料設(shè)計(jì)主要從材料的強(qiáng)度、耐久性、成本三個(gè)方面考慮。第一，防蒸發(fā)裝置材料必須具有一定強(qiáng)度，以保證在大風(fēng)大浪環(huán)境下結(jié)構(gòu)不容易破壞。例如張永山用EPs輕質(zhì)混凝土作為防蒸發(fā)浮板材料，大大提高了防蒸發(fā)浮板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。第二，防蒸發(fā)裝置材料必須具有一定耐久性。西北干旱區(qū)晝夜溫差大，經(jīng)常會有氣溫驟降驟升等極端天氣出現(xiàn)。為避免防蒸發(fā)裝置材料受氣溫影響而損壞，需要從高溫、低溫、高低溫交替等方面對防蒸發(fā)裝置材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，尋找出耐久性好的材料。第三，防蒸發(fā)裝置材料必須成本低廉。防蒸發(fā)裝置材料的成本直接決定整個(gè)水庫防蒸發(fā)工程的成本，在材料滿足一定強(qiáng)度和耐久性的前提下，其成本也是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題。

（2）探索準(zhǔn)確計(jì)算水面蒸發(fā)量的方法。提高水面蒸發(fā)量計(jì)算精度有利于水庫規(guī)劃和調(diào)度管理，對于干旱區(qū)水資源優(yōu)化配置具有重要意義。水面蒸發(fā)量計(jì)算模型的建立涉及水文學(xué)、氣象學(xué)等多種學(xué)科，是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。一直以來，眾多學(xué)者通過不斷改進(jìn)水面蒸發(fā)量計(jì)算模型來提高精度，但仍然存在兩大問題有待解決：一是模型敏感性、靈活性、確定性不高，關(guān)于環(huán)境變化導(dǎo)致蒸發(fā)量變化的考慮不足，同時(shí)待定系數(shù)過多限制了模型在不同地區(qū)的應(yīng)用：二是關(guān)于自由對流、不同風(fēng)速段強(qiáng)迫對流對水面蒸發(fā)影響的研究還不充分。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新技術(shù)的出現(xiàn)為水面蒸發(fā)量的計(jì)算提供了新的途徑。遙感和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合能夠快速收集研究對象的特征信息，并對大量信息數(shù)據(jù)儲存、處理和分析，從而使相關(guān)數(shù)據(jù)得到很好的表達(dá)和應(yīng)用。建立水面蒸發(fā)量遙感水文耦合模型將有助于提高水面蒸發(fā)量的計(jì)算精度。胡海英等通過質(zhì)譜儀測量水蒸發(fā)過程中氫和氧同位素含量的細(xì)微變化來計(jì)算水面蒸發(fā)量，但該技術(shù)的研究尚處于起步階段，需要在以下方面進(jìn)行深入研究：一是同位素分餾因子和蒸發(fā)機(jī)理之問的相互聯(lián)系，二是不同地區(qū)、不同氣象條件下蒸發(fā)量的時(shí)空分布規(guī)律。

（3）防蒸發(fā)技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的深入研究。毛海濤等對防蒸發(fā)技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行了可行性分析，為今后對該系統(tǒng)進(jìn)行深入研究提供了借鑒。防蒸發(fā)技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合是在防蒸發(fā)裝置上安裝太陽能電池板。各防蒸發(fā)裝置通過電線連接形成發(fā)電系統(tǒng)，通過電池板把光能轉(zhuǎn)化成電能，電能通過匯流箱、配電器、變壓器進(jìn)入到電網(wǎng)。該系統(tǒng)有防蒸發(fā)、環(huán)保、發(fā)電、不占用土地等優(yōu)點(diǎn)。未來需要對水中電池板的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)在極端天氣下運(yùn)行的穩(wěn)定性、光電轉(zhuǎn)化效率等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行大量深入研究。

（4）防蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等相關(guān)準(zhǔn)則的制定。為了使防蒸發(fā)技術(shù)在實(shí)際工程中得到廣泛推廣和應(yīng)用，必須及時(shí)制定和完善相關(guān)準(zhǔn)則。

3結(jié)語

本文在分析總結(jié)目前國內(nèi)外防蒸發(fā)技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了防蒸發(fā)技術(shù)未來的研究方向。水庫防蒸發(fā)技術(shù)對于減少水庫蒸發(fā)產(chǎn)生的巨大水量損失、高效節(jié)約水資源意義重大，對于嚴(yán)重缺水的西北干旱區(qū)平原尤為重要。因此，應(yīng)加強(qiáng)水庫防蒸發(fā)技術(shù)的研究并逐步在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步研究采用防蒸發(fā)技術(shù)對于地區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的影響。